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Verfahren zur Herstellung von lichtbogengeschweißten Verbindungen,
welche auch bei niedrigen Temperaturen sprödbruchsicher sind, sowie Schweißelektrode
zur Ausführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von
geschweißten Konstruktionen, die niedrigen Temperaturen, z. B. -20°C oder darunter,
ausgesetzt sind, und der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, den Schweißverbindungen
eine erhöhte Sicherheit gegen Sprödbruch in der Kälte zu verleihen. Beispiele von
Konstruktionen, bei welchen diese Aufgabe Bedeutung hat, sind Brücken, Maste, Türme,
Kräne, Großbehälter und Schiffsrümpfe. Die Sprödbruchanfälligkeit ist bekanntlich
sowohl von der Ausbildung der Konstruktion als auch von den Eigenschaften der verwendeten
Werkstoffe abhängig. An den Werkstoff der Schweißverbindungen werden besonders hohe
Anforderungen gestellt, weil die Schweißverbindungen oft eben solchen Beanspruchungskombinationen
ausgesetzt sind, welche zu Sprödbrüchen führen können. Man verwendet deshalb in
solchen Fällen heute mit Vorliebe die sogenannten kalkbasischen Elektroden, d. h.
umhüllte Elektroden, bei denen die schlackenbildenden Bestandteile der Umhüllung
hauptsächlich aus Erdalkalikarbonat (meistens Kalkstein) und Fluorid (Flußspat oder
Kryolith) bestehen. Das mit diesen Elektroden niedergelegte Schweißgut hat bei Temperaturen
von 0°C und höher eine so hohe Kerbschlagzähigkeit, daß eine weitere Erhöhung derselben
für die Sprödbruchgefahr keine Bedeutung hat. Bei niedrigeren Temperaturen fällt
aber die Kerbschlagzähigkeit in dem sogenannten Umschlaggebiet rasch ab und nimmt
bei Temperaturen, die in der Natur auftreten können, Werte an, bei denen eine genügende
Sicherheit gegen Sprödbrüche nicht mehr gegeben ist.
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Die Erfindung geht von der neuen Erkenntnis aus, daß ein Zusatz einer
ausreichenden, mindestens 0,501,
betragenden Menge von Kupfer im Schweißgut
der kalkbasischen Elektroden eine wesentliche Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit bei
niedrigen Temperaturen und damit auch eine Erniedrigung der Sprödbruchanfälligkeit
bewirkt. Es wurde auch festgestellt, daß Kupfer dabei bis zu einem gewissen Grade
durch Nickel und/oder Kobalt ersetzt werden kann.
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Schweißverfahren bzw. Schweißzusatzwerkstoffe, welche ein aus kupferhaltigem
Stahl bestehendes Schweißmetall mit z. B. hohen Warmstreckgrenzen bei z. B. 350°C
ergeben, sind an sich bekannt. So war z. B. bekannt, daß in einem aus aluminogenetischem
Stahl bestehenden Schweißmetall ein Kupfergehalt bis 1,5°/o zulässig ist, wobei
die Gehalte der sonstigen stahlvergütenden Zusätze (Mn, Si, C, V, Ti) in bestimmter
Weise auf den Kupfergehalt abzustimmen sind, damit die Härte des Schweißmetalls
nicht übermäßig ansteigt. Das Kupfer kann dabei entweder als kupferhaltiger Aluminiumgrieß
oder als solches (z. B. in der Form von Kupferschrott) einlegiert werden; im letzteren
Falle soll ein Thermitstahl von bemerkenswerter Kerbschlagzähigkeit erhalten werden.
Es war aber nicht naheliegend, bei kalkbasisch umhüllten Elektroden einen Zusatz
von Kupfer in der Höhe von mindestens 0,501, zu verwenden, da einerseits
das mit den üblichen kalkbasischen Elektroden niedergelegte Schweißmetall bei gewöhnlichen
Temperaturen eine durchaus befriedigende Kerbschlagzähigkeit aufweist und da andererseits
nichts darauf schließen ließ, daß durch den genannten Zusatz von mindestens
0,501, Kupfer eine Verschiebung des Umschlaggebietes zu weit niedrigeren
Temperaturen als sonst zu erreichen wäre.
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Die Erfindung bezieht sich dementsprechend in erster Linie auf ein
Verfahren zur Herstellung von lichtbogengeschweißten Verbindungen, welche auch bei
niedrigen Temperaturen eine niedrige Sprödbruchanfälligkeit aufweisen, unter Verwendung
umhüllter Schweißelektroden, die ein Eigenschweißgut aus niedriggekohltem, unlegiertem
Stahl niederlegen, welches Verfahren sich dadurch auszeichnet, daß die Schweißverbindungen
unter Verwendung kalkbasisch umhüllter Elektroden hergestellt werden, die so viel
Kupfer, gegebenenfalls in Verbindung mit Nickel
und/oder Kobalt
enthalten, daß das Schweißgut einen Gehalt an Kupfer bzw. einen Gesamtgehalt an
Kupfer und Nickel und/oder Kobalt von 0,5 bis 1,25 Gewichtsprozent bekommt, wobei
der Gehalt an Nickel und/oder Kobalt den Gehalt an Kupfer nicht überschreitet.
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Unter einem niedriggekohlten Stahl ist hier ein Stahl zu verstehen,
welcher höchstens 0,2511/0 Kohlenstoff enthält. Kohlenstoffgehalte von 0,1
% oder etwas darunter sind normal. Außer Kupfer und Nickel weist das Schweißgut
solche Gehalte an Mangan und Silizium auf, die in mit basischen Elektroden niedergelegtem
Schweißgut aus unlegiertem Stahl zu Desoxydierungszwecken oder zur Regelung der
Zugfestigkeit normal vorkommen können, z. B. 1,50/(, Mangan und 0;7 °/o Silizium.
Die Grenzen der Gehalte an diesen Metallen können mit 0,5 bis 1,7°/o Mangan und
0,3 bis 0,80/0 Silizium angegeben werden. Ferner kann das Schweißgut kleine Zusätze
von anderen in unlegiertem Schweißgut vorkommenden Grundstoffen, wie Titan und Aluminium,
sowie übliche Verunreinigungen enthalten. Zu den Verunreinigungen ist auch Chrom
in einer Menge von höchstens etwa 0,10°/o zu zählen. Der Gesamtgehalt des Schweißguts
an anderen Metallen als Eisen, Kupfer, Nickel und Kobalt sollte nicht höher als
2,5"/, sein.
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Die Erfindung umfaßt auch eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete kalkbasisch umhüllte Lichtbogenschweißelektrode von solcher
Zusammensetzung, daß ihr Schweißgut einen unlegierten Stahl von niedrigem Kohlenstoffgehalt
darstellt, welche Elektrode sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß die Elektrode
so viel Kupfer, gegebenenfalls auch Nickel und/oder Kobalt, enthält, da.ß ihr Gehalt
an Kupfer bzw. ihr Gesamtgehalt an Kupfer und Nickel und/oder Kobalt mindestens
0,5 °/p und höchstens 1,25 °/o des Gewichtes der metallischen Bestandteile der Elektrode
darstellt, wobei der Gehalt an Nickel und/oder Kobalt höchstens dem Gehalt an Kupfer
gleich sein darf. Kupfer und Nickel und/oder Kobalt können dabei Bestandteile des
Kerns darstellen, z. B. in der Form von Legierungsbestandteilen des Kernmetalls
oder in der Form eines metallischen Auftrages auf dem Kerndraht, oder sie können
Bestandteile der Umhüllung darstellen, z. B. in der Form von Kupferpulver oder Pulver
einer Kupfer-Nickel-Legierung oder Pulver von Kupferoxyd oder Kupferoxydul, welches
beim Schweißvorgang zu metallischem Kupfer reduziert wird. Der Zusatz kann auch
auf den Kern und die Umhüllung verteilt sein, z. B. derart, daß der Kerndraht 0,15
bis 0,20°/o Kupfer enthält, während der Rest des Kupfergehaltes der Elektrode wie
auch deren gegebenenfalls vorhandener Gehalt an Nickel und/oder Kobalt Bestandteile
der Umhüllung darstellen. Es ist ferner möglich, das Kupfer und/oder das Nickel
und/oder Kobalt in Form eines um den Kerndraht gewickelten dünnen Drahtes zuzuführen.
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Wenn nur Kupfer, d. h. ohne Nickel oder Kobalt, als Zusatz in der
erfindungsgemäßen Elektrode verwendet wird, ist ein Gehalt an Kupfer von etwa 0,80/"
bezogen auf das gesamte Metallgewicht der Elektrode, in der Regel zweckmäßig.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die im folgenden beschriebene
Elektrode dienen. Der Kerndraht vom Durchmesser 4 mm besteht aus unlegiertem, praktisch
kupferfreiem weichem Stahl (0,10°/o C) und ist mit einem galvanisch aufgebrachten
Kupferüberzug versehen, dessen Gewicht 1
% des Kerngewichtes darstellt. Die
im Strangpreßverfahren aufgepreßte Umhüllung hat einen Außendurchmesser von 6,65
mm und besteht, abgesehen vom Bindemittel (Kaliwasserglas), aus der folgenden Zusammensetzung:
| Gewichtsprozent |
| Kalkstein ........................... 25 |
| Flußspat............................ 20 |
| Rutil ............................... 5 |
| Kaolin ............................. 2 |
| Eisenpulver ......................... 39 |
| Ferrosilizium (450/, Si) ............... 6 |
| Ferromangan (800/0 Mn) .............
3 |
| 100 |
Das mit dieser Elektrode niedergelegte Schweißgut hat einen Kupfergehalt von etwa
0,80/,. Die untenstehende Tabelle faßt die Ergebnisse von Kerbschlagzähigkeitsversuchen
mit zwei Reihen von ganz aus Schweißmetall bestehenden Charpy-V-Kerbschlagproben
zusammen, wobei die eine Reihe mit der oben beschriebenen Elektrode, die andere
Reihe mit einer Elektrode ohne Kupferüberzug, aber sonst gleicher Ausführung, hergestellt
wurde.
| Temperatur Kerbschlagzähigkeit |
| mkg/cm |
| ° C 004 Cu j 0.8 0 / 0
Cu |
| +20 24,3 26,6 |
| 0 20,4 ( 24,3 |
| -20 10,7 i 21,2 |
| -40 3,3 I 16,6 |
| -60 1,4 4,2 |
Ein Vergleich zeigt, daß durch den erfindungsgemäßen Kupferzusatz das sogenannte
Umschlaggebiet sehr wesentlich gegen niedrigere Temperaturen verschoben worden ist.
Die Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurve ist in der Tat um etwa 30°C nach niedrigen
Temperaturen hin verschoben worden. Im allgemeinen ist damit zu rechnen, daß durch
die Kupferzusätze gemäß der Erfindung das Umschlaggebiet mindestens etwa 15°C niedriger
als bei kupferfreien (oder Kupfer nur als Verunreinigung enthaltenden) Schweißen
sonst gleicher Zusammensetzung liegt.